射頻導(dǎo)納料位計(jì)原理及故障分析

 

引言

物位是指存儲(chǔ)容器或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備里的液體、粉狀或顆粒狀固體、氣體之間的分界面位置，也可以是互不相溶的兩種液體間由于密度不等而形成的界面位置，由于各種物料的性質(zhì)千差萬(wàn)別，生產(chǎn)中的工況差別很大，物位測(cè)量的方法也很多。目前常用的料位計(jì)有：重量負(fù)荷料位計(jì)、超聲波探測(cè)料位計(jì)、液體浮子式料位計(jì)、射頻導(dǎo)納電容式料位計(jì)。其中電容式物位測(cè)量方法具有適用范圍廣(適用于各種介質(zhì)，包括液體、粉狀固體、液-固漿體和介質(zhì)界面)，測(cè)量結(jié)果與介質(zhì)密度、化學(xué)成分等因素?zé)o關(guān)，測(cè)量?jī)x表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉、可在各種惡劣工況條件下工作等的特點(diǎn)，是應(yīng)用#廣泛的一種測(cè)量物位的方法。但是電容式物位測(cè)量方法存在掛料問(wèn)題，當(dāng)測(cè)量具有黏附性的導(dǎo)電物料時(shí)，物料會(huì)黏附在傳感電極的外套絕緣罩上(掛料)，形成虛假物位，產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，妨礙了電容式物位儀表更廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，電容式物料測(cè)試技術(shù)又有了新的發(fā)展，國(guó)外學(xué)者利用射頻導(dǎo)納技術(shù)解決了電容式物位測(cè)量方法中的掛料問(wèn)題，而且國(guó)外已經(jīng)有了相關(guān)的產(chǎn)品，美國(guó)Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計(jì)已在國(guó)內(nèi)得到了很廣泛的運(yùn)用。

 

1 電容式物位計(jì)的工作原理

電容式物位計(jì)是在容器中建立一個(gè)電容，一極是浸沒(méi)在容器中的桿狀探頭，另一極為接地金屬板(通常為容器壁)，如圖1a所示。設(shè)以空氣為介質(zhì)的電容為C 1 ，以被測(cè)物料為介質(zhì)的電容為C 2 ，則電極間的電容為：

C=C 1 +C 2

如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)體，則須在探頭上加一層絕緣層，如圖1b所示。設(shè)被測(cè)物料上部以絕緣層為介質(zhì)的電容為C 1a ， ，以空氣為介質(zhì)的電容為C 1b ，被測(cè)物料部分以絕緣層為介質(zhì)的電容為C 2a ，則電極間的電容為：

 

C＝C 1a ·C 1b / （C 1a ＋C 1b ）＋C 2a經(jīng)推導(dǎo)可得兩電極間的電容C 與被測(cè)物位高度h的關(guān)系為：

C=C o +k·h

 

式中，C 0 和k是與介電常數(shù)、容器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)物位變化時(shí)，被測(cè)介質(zhì)對(duì)探頭的浸沒(méi)高度h發(fā)生變化，從而使電容C發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電容C得到物位高度h。

 

2 射頻導(dǎo)納料位計(jì)工作原理

傳統(tǒng)的電容式物位傳感器無(wú)法消除電極掛料對(duì)測(cè)量的影響，特別是在對(duì)粘性導(dǎo)電物料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，誤差極其嚴(yán)重，大大限制了電容式物位計(jì)的使用和發(fā)展。

如圖2a中所示，在一個(gè)充滿粘性導(dǎo)電物料的容器中，安裝一個(gè)測(cè)量電極，測(cè)量電極上有絕緣層。此時(shí)，容器中存在一個(gè)物料電容，由于導(dǎo)電物料的截面很大，可以認(rèn)為被測(cè)物料在檢測(cè)電路中的電阻為零。由于此電容的兩極分別為電極極芯和導(dǎo)電物料，由前述電容式物位計(jì)的工作原理可知，此時(shí)測(cè)量電容與物料高度成正比。然而，這種電容式物位測(cè)量原理存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，如圖2b中所示，當(dāng)物位由高位h降低到低位h 0 時(shí)，探頭上可能會(huì)留有粘附層(即掛料)，產(chǎn)生虛假的物位，給測(cè)量帶來(lái)誤差。

 

在圖2a中，由于掛料的橫截面積較小，掛料的等效電阻較大（掛料的等效電路如圖2b所示），掛料可以看作由許多微小的電阻和電容組成。從數(shù)學(xué)上可以證明，只要粘附層足夠長(zhǎng)，粘附層的電阻和電容具有相同的阻抗，這就是射頻導(dǎo)納定理。將測(cè)量電極上帶有粘附層的容器的外壁接地，在測(cè)量電極和地之間加一高頻激勵(lì)信號(hào)，在測(cè)量電極和地之間沒(méi)有直流通路，因此，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，可得到儲(chǔ)罐實(shí)際的料位。

 

3 射頻導(dǎo)納測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生電路發(fā)出100 kHz的射頻信號(hào)，經(jīng)濾波電路將干擾成分濾掉，獲得較純凈的100 kHz的射頻信號(hào)，電容驅(qū)動(dòng)電路用于提高物位的測(cè)量范圍。變壓器電橋測(cè)量電路將物位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。測(cè)量的電壓信號(hào)分成2路：包含物位信息和掛料信息的測(cè)量信號(hào)；提供采樣時(shí)刻的同步信號(hào)。同步信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，給出采樣時(shí)刻，在該時(shí)刻對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣，即可獲得純凈的物位信號(hào)，從而消除電極掛料的影響。檢測(cè)到的物位信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電路，消除一些干擾，然后送入微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)顯示電路顯示實(shí)際物位。實(shí)際物位與設(shè)定的物位上下限值進(jìn)行比較，給出越限報(bào)警信號(hào)。用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)，提高測(cè)量精que度。射頻導(dǎo)納測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 射頻導(dǎo)納料位計(jì)常見(jiàn)故障分析

美國(guó)Ametek Drexelbrook公司生產(chǎn)的射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計(jì)工作性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，但使用條件和應(yīng)用條件等工藝參數(shù)不當(dāng)，可能會(huì)造成儀表測(cè)量不準(zhǔn)確或儀表不工作。若是儀表原因，請(qǐng)依次檢查以下幾方面的內(nèi)容：

 

（1）檢查電子單元。移動(dòng)傳感器電源及信號(hào)電纜，外加15~28VDC電源，進(jìn)行檢查并校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用信號(hào)發(fā)生器檢查系統(tǒng)的輸出信號(hào)是否在4~20mA的范圍內(nèi)。

（2）檢查傳感器。用模擬歐姆表測(cè)量傳感器接線端之間的電阻，包括中心線與屏蔽間電阻、屏蔽與地間電阻、中心線與地間電阻。傳感元件在空氣中無(wú)掛料(聚集物)時(shí)，上述三電阻阻值應(yīng)為無(wú)窮大，若傳感元件上有掛料，則電阻阻值偏低，當(dāng)掛料除去后，電阻恢復(fù)無(wú)窮大。正常時(shí)，傳感器上有掛料情況下的#小電阻值為：中心線與地之間1000Ω；中心線與屏蔽之間600Ω；屏蔽與地之間300Ω。

（3）檢查傳輸電纜。導(dǎo)線管中有水或?qū)щ娦晕矬w，可能會(huì)引起儀表失靈。

 

5 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)分析了射頻導(dǎo)納連續(xù)料位計(jì)工作原理及測(cè)量系統(tǒng)工作的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)射頻導(dǎo)納料位計(jì)常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決方案，使射頻導(dǎo)納料位計(jì)更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)。

 

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